一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台，包括PCR微流体芯片、半导体制冷片、温度采集模块、Arduino单片机、LCD显示器和键盘，其中，所述Arduino单片机为核心部件，其用于将温度采集模块实时采集到的PCR微流体芯片的实时温度值的模拟量温度值转换为数字量温度值，并将数字量温度值显示在LCD显示器上，能够直观获取实时温度；通过键盘控制调节设置控制温度值，再通过Arduino单片机与采集的数字量温度值进行比较，来控制半导体制冷片的加热或是制冷，以达到PCR微流体芯片的温度的准确恒定控制。本发明专利技术操作方便，工作安全可靠，能够满足整体性能要求，具有良好的应用前景和推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台
本专利技术涉及自动化技术和信息
，具体涉及一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台。
技术介绍
PCR微流控芯片是第三代PCR技术，该技术将模板DNA、引物、Tag酶、缓冲液按照先后顺序加入在芯片状固体支持物上加工的微反应槽,混合均匀；然后让PCR混合物重复通过芯片上的三个恒温区域[变性区Melting(94℃)，退火区Annealing(55℃)，扩增区Extension(72℃)]，从而实现DNA的变性、退火和扩增。每一循环经过如此变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。三个温区的温度控制的准确程度是完成PCR扩增的关键因素。到目前为止基于芯片的PCR技术主要有两种实现模式：一种是试剂在温度循环变化的管道区间中连续流动实现PCR扩增，称为连续流动PCR微芯片；另一种是试剂不动，而芯片腔体的温度迅速循环变化实现PCR扩增，称为PCR微池芯片。前一种方式容易实现集成化，后一种方式的反应速度要比前一种快。现有技术多为ITO薄膜加热(刘超、杨盛PCR微流体芯片温度控制系统的设计)，反应速度相对较慢，而本方案通过对半导体制冷片加热或制冷来控制温度的升高和降低，能实现温度迅速循环变化从而实现PCR扩增，反应速度快，成本低，易实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：通过对半导体制冷片与PID调节控制温度使PCR微流体扩增温度更加准确、精度更高、温度升降响应更快。本专利技术采用的技术方案为：一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台，包括PCR微流体芯片、半导体制冷片、温度采集模块、Arduino单片机、LCD显示器和键盘，其中，所述Arduino单片机为核心部件，其用于将温度采集模块实时采集到的PCR微流体芯片的实时温度值的模拟量温度值转换为数字量温度值，并将数字量温度值显示在LCD显示器上，能够直观获取实时温度；通过键盘控制调节设置控制温度值，再通过Arduino单片机与采集的数字量温度值进行比较，来控制半导体制冷片的加热或是制冷，以达到PCR微流体芯片的温度的准确恒定控制。其中，Arduino单片机通过热电偶传感器进行温度采集，通过MAX6675数据转换器将采集的K型热电偶温度转化为摄氏温度传给单片机，单片机通过软件控制一方面将温度实时显示在LCD屏上，另一方面将对传感器读取温度与设定温度进行比较，Δ＝传感器读取温度-设定温度；如果Δ<0，ArduinoD6引脚输出高电平，Relay1工作，使Relay1形成正向电压回路，即半导体制冷片进行加热状态；如果Δ>0，ArduinoD10引脚输出高电平，Relay2工作，使Relay2形成反向电压回路，即半导体制冷片此时应进行制冷工作状态；单片机通过不断的采集温度并与设定温度比较来进行实时温度控制，从而快速精准达到设定温度；在此期间需要通过循环流动的水将半导体制冷片工作时的热量带走，从而降低能耗；也可以直接通过调节半导体制冷片TEC1-12706输入电压、电流来控制其制冷或制热相对速度；通过PID控制算法可使温度误差达到最小。其中，通过Arduino平台和半导体制冷片来控制PCR微流体温度，从而实现对PCR微流体的扩增。本专利技术优点和积极效果为：本专利技术提出了一种基于Arduino单片机的PCR微流体芯片的温度控制系统，此系统对有功率耗散的开关电源的单元电路等进行控制，从而控制的半导体制冷片工作状态(制冷/制热转换，功率大小可调)，以达到测量并控制PCR微流体的温度，保证其正常工作的目的。通过PID调节控制，单温度区间误差可由Δ＝±2℃降到Δ＝±0.5℃，该系统操作方便，工作安全可靠，能够满足整体性能要求，具有良好的应用前景和推广价值。附图说明图1为本专利技术一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台的原理框图；图2为基于Arduino单片机的PCR微流体芯片的温度控制系统的设计原理图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。本专利技术在解决准确控温技术时基于如图1所示的几个模块：在Arduino单片机控制下，通过对温度的采集与设置温度做对比来控制半导体制冷片的加热或制冷，从而控制PCR微流体芯片的扩增。LCD模块电路可以显示实时温度。本专利技术是通过Arduino单片机主控板控制PCR微流体芯片的温度实现对PCR微流体芯片准确迅速扩增。具体为通过镍铬/镍硅K型热电偶传感器和MAX6675K型热电偶模块采集PCR微流体芯片的实时温度，采集过来温度与Arduino程序的控制温度做对比，如果温度低于设定温度，则通过继电器模块和半导体制冷片来对PCR微流体芯片进行加热控制。反之，如果采集温度高于设定温度，则通过继电器模块和半导体制冷片来对PCR微流体芯片进行制冷控制。其中需要给半导体制冷片提供12V、5A直流稳压电源，本专利技术采用为WYJ系列的WYJ.5A30VDCREYILATEDPOWERSUPPLYDOUBLEWAYOUTPUT。常规方案为风扇降温技术，本专利技术采用水冷技术进行散热，因为水冷相比风扇无振动、比较安静、降低噪音。同时水浴可以通过循环流动的水将半导体制冷片进行制冷工作时的热量带走，降低能耗。本专利技术采用水浴系统进行散热同时和蠕动泵共同配合达到迅速降温的目的。最后增加了LCD屏，其效果是可以直观看到采集PCR微流体芯片的实时温度。本专利技术在解决准确控温技术时采取如图2所示的基于Arduino单片机的PCR微流体芯片的温度控制系统得设计原理图整体技术方案。代号1为Arduino单片机，所选型号为ARDUINOUNOR3开发板官方版本改进版支持WIN7WIN10。DigitalI/O数字输入/输出端共0～13。AnalogI/O数字输入/输出端共0～5。输出电压：5V直流电压输出和3.3V直流电压输出。采用AtmelAtmega328微处理控制器。代号2为MAX6675K型热电偶模块是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的12位分辨率串行K型热电偶模数转换器。简单的SPI串行口温度值输出，0℃～1024℃的测温范围，转换器温度分辨率为0.25℃。供电电压为3～5VDC。SO、CS和SCK分别接Arduino的D7、D8和D9引脚。代号3为K型热电偶传感器。线芯材质为镍铬/镍硅，红为负极/黄为正极接在MAX6675的正负极上。代号4为LCD1602蓝屏带背光液晶屏。LCD的D4～D7依次接Arduino的D5～D2，LCD的E管脚和RS管脚分别接Arduino的D11和D12。代号5为TEC1-12706半导体制冷片。额定电压12V，Imax＝4～4.6A(额定12V时)，最大温差67℃以上。正极分别接继电器模块电路Relay1和Relay2的NO端，负极分别接继电器模块电路Relay1和Relay2的NC端。代号6为Relay1，1路继电器模块带光耦隔离，支持高低电平触发，工作电压为5V。COM端口接外部直流电源12V，IN端口接Arduino的D6端口。代号7为Relay2，1路继电器模块带光耦隔离，支持高低电平触发，工作电压为5V。COM端口接外部直流电源的GND，IN端口接Arduino的D10端口。工作原理：Arduino单片机通过热电偶传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台，其特征在于：包括PCR微流体芯片、半导体制冷片、温度采集模块、Arduino单片机、LCD显示器和键盘，其中，所述Arduino单片机为核心部件，其用于将温度采集模块实时采集到的PCR微流体芯片的实时温度值的模拟量温度值转换为数字量温度值，并将数字量温度值显示在LCD显示器上，能够直观获取实时温度；通过键盘控制调节设置控制温度值，再通过Arduino单片机与采集的数字量温度值进行比较，来控制半导体制冷片的加热或是制冷，以达到PCR微流体芯片的温度的准确恒定控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台，其特征在于：包括PCR微流体芯片、半导体制冷片、温度采集模块、Arduino单片机、LCD显示器和键盘，其中，所述Arduino单片机为核心部件，其用于将温度采集模块实时采集到的PCR微流体芯片的实时温度值的模拟量温度值转换为数字量温度值，并将数字量温度值显示在LCD显示器上，能够直观获取实时温度；通过键盘控制调节设置控制温度值，再通过Arduino单片机与采集的数字量温度值进行比较，来控制半导体制冷片的加热或是制冷，以达到PCR微流体芯片的温度的准确恒定控制。2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino平台控制的PCR恒温台，其特征在于：Arduino单片机通过热电偶传感器进行温度采集，通过MAX6675数据转换器将采集的K型热电偶温度转化为摄氏温度传给单片机，单片机通过软件控制一方面将温度实时显示在LCD屏上，另一方面将对传感器读取温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，焦冬生，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34